Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~3(~3946
L'invention concerne les procédés et les installations
de traitement thermique de fils métalliques et plus particu-
lièrement de fils d'acier au carbone, ces fi-ls étant utilisés
pour renforcer des articles en caoutchouc(s) et/ou en
S matières~s) plastiques~s), par exemple des enveloppes de pneu-
matiques.
Ces traitements thermiques ont pour but d'une part
d'augmenter l'aptitude au tréfilage des fils et d'autre part
d'améliorer leurs caractéristiques mécaniques et leur endu-
rance.
Les traitements connus de ce type comportent deuxphases :
- une première phase qui consiste à chauffer le fil et
à le maintenir à une température supérieure à la température de
transformation AC3 de faSon à obtenir une austénite homogène ;
- une deuxième phase qui consiste à refroidir le fil
pour obtenir une structure perlitique fine.
Un de ces procédés les plus utilisés est un traitement
thermique dit "de patentage" qui consiste en une austéni-
20 tisation du fil à une température de 800 à 950 C, suivie d'une
immersion dans un bain de plomb ou de sels fondus maintenu à
une température de 450 à 600- C.
Les bons résultats obtenus, particulièrement dans le
cas du-traitement thermique au plomb, sont généralement attri-
bués au fait que les coefficients de convection très élevés qui
sont réalisés entre le fil et le fluide refroidisseur permet-
tent d'une part un refroidissement rapide du fil entre la
température de transformation AC3 et une température légèrement
supérieure à celle du plomb, d'autre part une limitation de la
"recalescence" pendant la transformation de l'austénite métas-
table en perlite, la recalescence étant une augmentation de la
température du fil due au fait que l'énergie apportée par la
transformation metallurgique est supérieure à l'énergie perdue
par raS~onnement et convection.
... ~
.
,~
. , ,
-- 2
Le patentage se traduit malheureusement par des
prix de revient élevés car la manipulation des métaux
liquides ou des sels fondus conduit à des technologies
lourdes et à la nécessité d'un nettoyage du fil après
patentage.
D'autre part, le plomb est très toxique et les
problèmes d'hygiène qu'il pose conduisent à des dépenses
importantes.
Le but de l'invention est de réaliser un
traitement thermique sans utiliser de métaux ou de sels
fondus, pendant la transformation d'austénite en perlite,
tout en obtenant des résultats au moins aussi bons qu'avec
les procédés de patentage.
En conséquence, l'invention concerne un procédé
pour traiter thermiquement un fil d'acier au carbone de
façon à obtenir une structure perlitique fine, ce procédé
étant caractérisé par les trois étapes suivantes:
a) le fil, qui a été préalablement maintenu à une
température supérieure à la température de transformation
AC3 pour obtenir une austénite homogène, est refroidi
jusqu'à ce qu'il atteigne une température donnée inférieure
à la température de transformation ACl et supérieure à la
température du nez de la courbe du début de la
transformation de l'austénite métastable en perlite, le fil
ayant alors une structure d'austénite métastable sans
perlite,
b) on règle ensuite ~la température du fil de telle sorte
qu'elle ne diffère pas de plus de 10C, par excès ou par
défaut, de cette température donnée, ce réglage étant obtenu
en faisant passer un courant électrique dans le fil, pendant
un temps supérieur au temps de perlitisation et en
effectuant une ventilation modulée pendant une partie de ce
temps;
c) on refroidit ensuite le fil.
~.
13~3~&
-- 3
L'invention concerne également un dispositif pour
la mise en oeuvre du procédé précédemment défini.
Ce dispositif pour traiter thermiquemen-t un fil
d'acier au carbone de facon à obtenir une structure
perlitique fine est caractérisé en ce qu'il comporte:
a) des moyens permettant de refroidir le fil, qui a été
préalablement maintenu à une température supérieure à la
température de transformation AC3, ces moyens de
refroidissement permettant au fil d'atteindre une
température donnée inférieure à la température de
transformation ACl et supérieure à la température du nez de
la courbe du début de la transformation de l'austénite
métastable en pexlite, le fil ayant alors une structure
d'austénite mé-tastable sans perlite;
b) des moyens perme-ttant ensuite de régler la température du
fil de telle sorte qu'elle ne diffère pas de plus de 10C
par excès ou par défaut de cette température donnée, pendant
un temps supérieur au temps de perlitisation, ces moyens
comportant des moyens électriques pour faire passer un
courant électrique dans le fil et des moyens de ventilation
modulée;
c) des moyens permettant de refroidir ensuite le fil.
L'invention concerne également les fils obtenus
avec le procédé et/ou le dispositif conformes à l'invention.
L'invention sera aisément comprise à l'aide des
exemples non liml-tatifs qui suivent et des figures toutes
schématiques relatives à ces exemples.
Sur le dessin:
- la figure 1 représente un diagramme schématisant
la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention;
- la figure 2 représen-te en fonction du temps les
variatiGns de la température du fil, de l'intensité
électrique circulant dans le fil, et de la vitesse de
ventilation lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à
~'
1 ~
~3~3~6
-- 4
l'invention;
- la figure 3 représente en coupe une partie d'un
dispositif conforme à l'invention avec cinq enceintes de
refroidissement e-t un axe, cette coupe étant effectuée selon
cet axe;
- la figure 4 représente en coupe la premiere
enceinte du dispositif conforme à l'invention représenté en
partie à la figure 3, cette coupe étant effectuée selon
l'axe de ce disposi-tif;
- la figure 5 représente en coupe la première
enceinte du dispositif conforme à l'invention représenté en
partie à la figure 3, cette coupe qui est effectuée
perpendiculairement à l'axe de ce dispositif étant
schématisée par les segments de lignes droites V-V à la
figure 4;
- la figure 6 représente en coupe la deuxième
enceinte du dispositif conforme à l'invention représenté en
partie à la figure 3, cette coupe étant effectuée selon
17 axe de ce dispositif:
- la figure 7 représente en coupe la deuxième
enceinte du dispositif conforme à l'invention représenté en
partie à la figure 3; cette coupe est effectuée perpendi-
culairement à l'axe de ce dispositif et elle est schématisée
par les segments de lignes droites V:[I-VII à la figure 6;
- la figure 8 représen-te en coupe un appareillage
permettant d'obtenir un anneau gazeux rotatif, cet appa-
reillage pouvant être utilisé dans le dispositif conforme à
l'invention représente en partie à la figure 3, cette coupe
étant effectuée perpendiculairement à l'axe de ce
dispositif;
- la figure 9 représente un autre dispositif
conforme à l'invention, ce dispositif comportant un
appareillage de répartition avec un cylindre;
- la figure 10 représente plus en détail en coupe
. . .
13~3946
l'appareillage de répartition du dispositif représenté à la
figure 9, cette coupe étant effectuée selon l'axe du
cylindre de cet appareillage de répartition;
- la figure 11 représente plus en détail en coupe
l'appareillage de répartition du dispositif représenté à la
figure 9, cette coupe, qui est effectuée perpendiculairement
à l'axe du cylindre de l'appareillage de répartition, étant
schématisée par les segments de lignes droites XI-XI à la
figure 10;
- la figure 12 représente en coupe une portion de
la structure perlitique fine d'un fil traité conformément à
l'invention.
La figure 1 représente un diagramme schématisant
les opérations effectuées lors de la mise en oeuvre du
procédé conforme à l'invention.
On utilise un fil 1 qui est un fil d'acier au
carbone. Ce fil 1 défile dans le sens de la flèche F sur un
trajet qui comporte les points A, B, C, D.
Le procédé conforme à l'invention comporte trois
étapes:
a) le fil 1 qui a été préalablement maintenu à une
température supérieure à la température de transformation
AC3 pour obtnenir une austénite homogène, est refroidi entre
les points A et B jusqu'à ce qu'il atteinge une température
donnée inférieure à la température de transformation ACl et
supérieure à la température du nez de la courbe du début de
transformation de l'austénite métastable en perlite. Ce
refroidissement est schématisé par la flèche Ra. Cette
température donnée permet la transformation ultérieure
d'austénite métastable en perlite. Le refroidissement Ra
est effectué en un temps assez court pour qu'il n'y ait pas
transformation de l'austénite en perlite, le fil au point B
; ayant alors une structure d'austénite métastable sans
- perlite
13(~3946
- 5a -
b) Entre les points B et C on règle la température du fil 1
de telle sorte qu'elle ne diffère pas de plus de 10C par
excès ou par défaut de cette température donnée, ce réglage
étant obtenu en faisant passer un courant électrique dans le
fil 1 pendant un temps supérieur au temps de perlitisation,
et en effectuant un refroidissement schématisé par la flèche
Rb. Ce refroidissement est effectué par une ventilation
modulee, c'est-à-dire une ventilation dont on fait varier la
vitesse au cours du temps où le fil 1 défile entre les
points B et C. Cette ventilation n'est effectuée que
pendant une partie du temps où on fait passer le courant
électrigue dans le fil 1.
Le passage du courant électrique dans le fil 1
entre les points B, C est schématisé par le circuit
lS électrigue le dont fait partie le fil 1 et par les flèches
I, I représentant l'intensité du courant électrique
circulant dans le circuit le et donc dans le fil 1.
c) Entre les points C et D on refroidit ce fil 1 à une
température qui est par exemple proche de la température
ambiante, ce refroidissement étant schématisé par la flèche
Rc.
A titre d'exemple, les refroidissements Ra et Rc
sont effectues aussi par ventilation.
- La figure 2 représente en fonction du temps
trois diagrammes 2A, 2B, 2C correspondant aux trois
variations suivantes lors de la mise en oeuvre du procédé
conforme à l'invention;
- La figure 2A représente la variation de la
température du fil 1;
- La figure 2B représente la variation de
l'intensité électrique circulant dans le fil 1;
- La figure 2C représente la variation de la
vitesse de ventilation lors des refroidissements Ra, Rb, Rc,
c'est-à-dire la vitesse du gaz de refroidissement.
~r
.~,
~ 13~3946
- 5b -
Sur ces diagrammes, le temps est représenté par T,
la température par e, l'intensité électrique par I, la
vitesse de ventilation par V. Sur tous ces diagrammes, le
temps T est représenté par i'axe des abscisses, et les
variations de e, I, V sont représentées par l'axe des
ordonnées. Pour la simplicité de l'exposé, on suppose que
la température e du fil entre les points B et C est
constante.
Les trois étapes du procédé se traduisent alors
sur i~e diagramme des températures e (fig. 2A) par un palier
de température eb correspondant 3 l'étape (b) précédé et
suivi par une baisse de température correspondant aux étapes
(a) et (c). Ces trois étapes se traduisent d'autre part sur
le diagramme de l'intensité I par un palier d'intensité non
nulle Ib correspondant à l'étape (b) précédé et suivi par un
palier
13G3g4~;
-- 6
d'intensite nulle correspondant au~ étapes (a) et (c). Lors de
l'étape (b), la ventilation modulee n'est appliquée ni au
début, lli a la fin de cette étape, elle n'est appliquée que
dalls l'intervalle de temps TBI, ~B2, l'étape (b~ comportant
donc trois phases. Le procéde comporte ainsi cinq phases
délimitées sur les diagrammes de la figure 2 par les temps O
(correspondant au temps T~ pris comme origine), T~, T~l, T~,
Tc, T~, les temps TB1 et T~2 sc produisant pendant l'étape ~bt.
La mise en oeuvre du procédé lors de~-ces cilr~ phases conduit à
des modifications de la structure de l'acier du fil ]
schématisées à la figure 2A.
Phase l
Avant que le fil l arrive au point A, il a été préala-
blement porté à une température supérieure à la température de
transformation AC3, le fil l ayant éte porté par exemple à une
température comprise entre 800 et 950 C, et on l'a maintenu à
cette température de façon à obtenir une austénite homogène.
Lorsque le fil l arrive au point A, sa température est donc
supérieure à la température de transformation AC3 et il a une
structure comportant de l'austénite homogène.
On a représenté sur la figure 2A la courbe Xl
correspondant au début de la transformation d?austénite
métastable en perlite, et la courbe X2 correspondant à la
fin de la transformation d'austénite métastable en perlite, le
nez de la courbe Xl, c'est-à-dire la température ~p
correspondant au temps minimum Tm de cette courbe X~.
Entre les points A et B, c'est-à-dire entre les temps
O et TB, on refroidit le fil l, la vitesse moyenne de ce
refroidissement, de preférence rapide, étant par exemple de 100
à 400-C.s-l de telle sorte que le fil l atteigne une tempé-
rature donnée ~b inférieure à la température de transfor-
mation ACl, et supérieure à la température du nez perlitique
~p, cette température ~b permettant la transformation
d'austénite métastable en perlite.
La phase l dont la durée est référencée Pl sur
l'axe des temps T de la figure 2C se traduit sur les diagrammes
de la figure 2 par une chute de température ~ , par une inten-
sité I nulle, et par un palier élevé Va de vitesse de venti-
lation, cettetphase l correspondant à l'étape (a~
Au cours de ce refroidissement, de préférence rapide,
il se développe aux joints de grains de l'austénite métastable
des "germes" qui sont d'autant plus petits et d'autant plus
nombreux que la vitesse de refroidissement est plus grande.
13~3g46
Les germes sont les points de départ de la transformation
ultérieure de l'austénite métastable en perlite et il est
bien connu que la finess~e de la perlite, donc la valeur
d'usage du fil, sera d'autant plus grande gue ces germes
seront plus nombreux et plus petits. L'obtention de
vitesses de refroidissement élevées en particulier dans le
cas des diamètres de fils supérieurs à 1 mm, est due à
l'utilisation conjointe d'un gaz de refroidissement ayant de
bonnes performances en convection forcée, et à l'emploi de
vitesses de ventilation rapides comprises par exemple entre
2 et 50 m.s ventilation axiale. Les phases 2, 3, 4 qui
suivent correspondent à l'étape (b).
Phase 2
Le fil 1 est maintenu à la température de
traitement choisie eb grâce à la circulation de l'intensité
électrique It sans qu'aucune ventilation ne soit effectuée.
Sur le diagramme de la figure 2C, la durée de
cette phase 2 est représentée par l'intervalle de temps P2
du temps TB au temps TBl, la température du fil 1 a la
valeur fixe ~b~ l'intensité électrique la valeur fixe Ib, et
la vitesse de ventilation est nulle.
Cette phase du traitement thermique est avanta-
geusement effectuée dans une enceinte de refroidissement en
convection naturelle. Durant cette phase, la vitesse de
formation des germes est très élevée et leur taille est
minimum.
Phase_3
Lors de cette phase, il y a transformation
d'austénite métastable en perlite. Pour éviter une
augmentation de la température du fil, c'est-à-dire une
recalescence, par suite de l'énergie apportée par la
transformation métallurgigue d'austénite en perlite, on
effectue une ventilation modulée tout en maintenant
l'intensité électrique Ib dans le fil 1. Sur le diagramme
.;
f`` 13C3946
- 7a -
de la figure 2C, la dur~e de cette phase 3 est représentée
par l'intervalle de temps P3 entre les temps TBl et TB2, la
temperature du fil 1 est maintenue 3 la valeur fixe eb,
l'intensit~ électrique est maintenue 3 la valeur fixe Ib.
S La ventilation est modulée de la faSon suivante. La vitesse
de ventilation a une valeur faible ou nulle au temps TBl, au
début de cette phase. Elle augmente ensuite pour atteindre
un maximum VM, et décroît ensuite pour atteindre une valeur
faible ou nulle au temps T82, à la fin de cette phase.
`, .
,_ .
., . I
__
~ ~3~3g4~i
-- 8 --
Cette ventilation est modulée, c'est-à-dire qu'elle a
à chaque instant une valeur telle que l'cnergie perdue par le
fil par convection et rayonnement soit égale à l'éner~ie
apportée nu Iil par effet Joule plus l'énergie apportée au fil
par la transformation métallùrgique austénite --> perlite.
~a vitesse maximum VM est par exemple comprise
eDtre 2 et ~0 m.s~l dans le cas d'une ventilation radiale,
ou entre ln et 100 m.s~' dans le cas d'une ventilation
axiale. La vitesse de ventilation V est obtenue en utilisant de
préférence un anneau gazeux rotatif ~ turbine ou à injection
dans le cas d'une ventilation radiale, ou une circulation de
gaz parallèle à l'axe du fil, dans le cas d'une ventilation
axiale, comme décrit ultérieurement.
Phase 4
Cette phase correspond à l'intervalle de temps T3z,
Tc. Le fil 1 est toujours parcouru par l'intensité de
courant électrique Ib1 et la temp~rature du fil 1 est
toujours égale à ~b, mais aucune ventilation n'est effec-
tuée, la vitesse de ventilation étant donc nulle. Le temps de
perlitisation étant susceptible de varier d'un acier à l'autre,
cette phase 4 a pour but d'éviter d'appliquer au fil 1 un
refroidissement prématuré, correspondant à la phase 5 décrite
ultérieurement, au cas où la perlitisation ne serait pas
terminée au temps TB 2 .
La durée de cette phase 4 est représentée par
l'intervalle de temps P4 sur le diagramme de la figure 2C.
A la figure 2A, le segment de droite BC traverse la région G~
disposée entre les courbes Xl, X2, le temps TB ~ corres-
pondant à l'intersection du segment BC avec la courbe Xl,-le
temps TB2 correspondant à l'intersection du segment BC avec la
courbe X2. Dans lè sens des temps T croissants, le point B est
situé avant la région G~, donc dans une zone où il n'y a pas de
perlite, l'austénite étant à l'état métastable, et le point C
est situé après la région G~, c'est-à-dire dans une zone où
- 35 toute l'austénite est transformée en perlite stable. La
ventilation modulée sur la figure 2C correspond à l'intervalle
de temps où le segment BC traverse la région C~, mais cette
modulation de ventilation pourrait être effectuée pendant un
intervalle de temps qui ne correspond pas exactement à la
traversée de cette région~ , par exemple pendant un intervalle
de temps pl~s court situé entièrement dans la région G~ , pour
tenir compte des inerties d'exothermicité, ou pendant un
intervalle de temps supérieur à cette traversée pour tenir
compte des variations possibles de qualités d'acier.
13~394~i
Phase 5
Cette phase correspond a l'étape (c~. Aucun
courant électrique ne passe dans le fil 1, et on ventile le
fil de préférence à une vitesse élevée Vc, supérieure à la
vitesse Va de la phase 1 de façon à avoir un refroidissement
rapide. Un refroidissement rapide n'est pas absolument
nécessaire lors de cette dernière phase, mais il permet de
diminuer le temps total du traitement thermique et par
conséquent la longueur de l'installation. A titre d'exemple
Vc a une valeur comprise entre Va et VM sur le diagramme 2C,
mais on peut envisager des cas différents.
La durée de cette phase 5 est représentée par
l'intervalle de temps P5 sur le diagramme de la figure 2C,
et elle correspond à l'intervalle de temps Tc, TD. La
1~ température du fil 1 à la fin de cette phase 5 peut être par
exemple proche de la température ambiante, ou égale à la
température ambiante.
Etant donné que les valeurs de e, T, I, V ainsi
que les valeurs de AC3, ACl, ainsi que la forme des courbes
Xl, X3 peuvent varier en fonction des aciers, les valeurs
réelles n'ont pas été portées sur les axes des diagrammes
2A, 2B, 2C.
Pour la simplicité de l'exposé et de la réali-
sation, la température du fil 1 a été supposée constante et25 égale à eb, pendant les phases 2, 3, 4, c'est-à-dire
pendant l'étape (b), mais l'invention s'applique au cas où
pendant cette étape (b), la température du fil 1 varie dans
un intervalle de 10C par excès ou par défaut autour de la
température eb obtenue à la fin de la phase 1. Il est
cependant préférable que la température du fil 1 soit la
plus proche possible de cette température eb. De préférence
la température du fil 1 ne diffère pas de plus de 5C, par
excès ou par défaut, de cette température eb, lors de
l'étape (b).
~,
.L~
13(~3946
- 10 -
Dans la réalisation précédemment décrite, aucun
courant électri~ue ne passe dans le fil 1 pendant les étapes
(a) et (c), c'est-à-dire pendant les phases 1 et 5, mais
l'invention couvre les cas où on fait passer un courant
électrique dans le fil 1 pendant au moins une partie d'une
de ces phases, ou de ces deux phases, ce qui peut avoir
l'avantage de régler les conditions du procédé, de façon
souple, dans un même dispositif, pour l'adapter à plusieurs
nuances d'acier. Les moyens permettant d'obtenir les
refroidissements Ra, Rc sont alors déterminés en tenant
compte de ce passage de courant électrique.
Un dispositif conforme à l'invention pour la mise
en oeuvre du procédé conforme à l'invention précédemment
décrit est représenté aux figures 3 à 7.
15Ce dispositif 2, qui est capable de traiter huit
fils 1 simultanément, a une forme cylindrique avec un axe
rectiligne xx', la figure 3 étant une coupe du dispositif 2
: effectuée selon cet axe, deux fils 1 étant représentés sur
cette figure 3.
20Le dispositif 2 comporte cinq enceintes
1~E2, E3, E4, E5, les fils l progressant de
: l'enceinte El vers l'enceinte E5, dans le sens de la flèche
F, les références Pl, P2, P3, P4, P5 correspondant aux
~ durées des phases 1 à 5 dans ces enceintes El à E5 (figure
; 25 3).
L'enceinte E1 est représentée en détail aux
figures 4 et 5, la figure 4 étant une coupe selon l'axe xx',
et la figure 5 étant une coupe perpendiculaire à cet axe,
cette coupe de la figure 5 étant schématisée par les
segments de lignes droites V-V à la figure 4, l'axe xx'
étant schématisé par la lettre O à la figure 5.
L'enceinte E1 est limitée extérieurement par un
manchon cylindrique 3 comportant une paroi externe 4 et une
paroi interne 5. Le manchon 3 est refroidi par un fluide 6
13Q3~46
- 10a -
par exemple de l'eau, qui circule entre les parois 4 et 5.
La paroi interne 5 comporte une multitude d'ailettes 7 en
forme de couronnes d'axe xx'.
L'enceinte El comporte un groupe moto-ventilateur
8. Ce groupe moto-ventilateur ~ est constitué par un moteur
9, par exemple un moteur électrique, permettant d'entraîner
deux turbines 10 en rotation autour de l'axe xx', chacune de
ces turbines 10 étant pourvue d'ailettes 11, les fils 1
etant disposes entre les ailettes 11 et la paroi interne 5.
- Le groupe moto-ventilateur 8 permet de brasser le
gaz de refroidissement 12 sous forme d'un anneau gazeux
rotatif dans le sens des flèches Fl (figure 5), cet anneau
120 correspondant au volume qui sépare les ailettes ll et la
paroi interne 5. On a donc ainsi une ventilation radiale
des fils 1.
Les ailettes 7 permettent un b~n échange thermique
entre le gaz 12 et l'eau 6.
L'enceinte El est isolée aérodynamiquement de
l'extérieur et de l'enceinte suivante E2 par deux plaques
circulaires 13 creuses remplies d'un fluide 14 de
refroidissement, par exemple de l'eau. Ces plaques
circularies 13 sont munies de huit ouvertures 15 permettant
le passage des fils 1.
~ 303946
-- 11 --
L'enceinte El correspond à la phase 1. Les fils 1
ont, lorsqu'ils pénetrellt dans l'enceinte El, une te~p~ra-
ture supérieure à la temperature de transformation AC3, de
telle sorte qu'ils ont alors une structure austénitique
5 homo~-ène, et ils sont refroi~is rapidement dans l'enceinte
El jusqu'a ce qu'ils atteignent la temperature ~
inférieure à la température de transformation ACl et supérieure
à la température du nez perlitique ~p. La température
~b permet la transformation d'austénite metastable en
10 perlite, mais cette transformation ne s'effectue pas encore
dans l'enceinte El, c~r le temps d'incubation TB1 à la
température du fil ~b n'a pas encore été atteint et les
fils 1 gardent une structure austénitique.
Les fils I passent ensuite dans l'enceinte E2.
15 Cette enceinte E2 est représentée en détail à la figure 6,
qui est une coupe selon l'axe ~x', et à la figure 7 qui est une
coupe perpendiculaire à l'axe xx', de cette enceinte E2, l'axe
xx' étant schématisé par la lettre 0 sur cette figure 7, la
coupe de la figure 7 étant schématisée par les segments de
20 lignes droites VII-VII à la figure 6. Cette enceinte Ec est
dépourvue de groupe moto-ventilateur. Chaque fil 1 passe entre
deux rouleaux 16 en matière conduisant l'électricité, par
exemple du cuivre, à l'entrée de l'enceinte E2, ces rouleaux
16 permettant de faire circuler dans chaque fil 1 le courant
25 électrique d'intensité Ib, de cette enceinte E2 à
l'enceinte E~ qui sera décrite plus en détail ultérieure-
ment. Les courants électriques circulant dans les fils 1 sont
fournis par des transformateurs 17 délivrant chacun la tension
électrique U, chacun de ces transformateurs 17 étant contrôlé
30 par un dispositif à Thyristors 18.
Il est ainsi possible d'établir à tout instant
l'égalité entre la chaleur reçue par les fils 1, par suite de
l'effet Joule, et la chaleur émise par les fils 1, cette
émission étant due au rayonnement et à la convection. La tempé-
35 rature des fils 1 est ainsi réglée à la même valeur qu~ celleatteinte a la sortie de l'enceinte El, c'est-à-dire ~b.
Pour la simplicité du dessin un seul transformateur 17 et un
seul dispositif à Thyristors 18 sont représentés sur la figure
3. L'enceinte E2 est limitée par un manchon cylindrique
40 creux 19 dans lequel circule un fluide de refroidissement 20,
par exemple de l'eau. Ce manchon cylindrique 19 est dépourvu
d'ailettes car dans l'enceinte E~ les échanges thermiques
entre les fils 1 et le gaz lZ de refroidissement sont faibles
~3~ 4~i
- 12 -
étant donne qu'ils s'effectuent en convection naturelle,
c'est-à-dire sans utiliser des moyens mécaniques pour mettre
le gaz 12 en mouvement.
I,'enceinte E2 correspond à la phase 2, c'est-à-
dire qu'il y a dans cette enceinte E2 formation accélérée degermes aux joints de grains de l'austénite métastable, mais
sans qu'il y ait encore -transformation d'austénite en
perlite.
Les fils passent ensuite dans l'enceinte E3.
Cette enceinte E3 est analogue à l'enceinte E1 mais avec les
différences suivantes:
- il y a plusieurs groupes moto-ventilateurs 8
disposés à la suite les uns des autres, le long de l'axe
x x ' ;
- les fils 1 sont chacun parcourus par un courant
électrique d'intensité Ib.
La ventilation due aux groupes 8 est modulée,
c'est-à-dire que la vitesse de rotation des tuxbines 10 est
faible à l'entrée de l'enceinte E3, elle augmente pour
passer par un maximum, en suivant l'axe xx', de telle sorte
que la vitesse de ventilation passe par un maximum VM, et
elle décroît ensuite vers la sortie de l'enceinte E3, selon
la flèche F. Ce maximum VM est par exemple différent de la
valeur de la vitesse de ventilation dans l'enceinte E1. La
vitesse des groupes moto-ventilateurs 8 peut être réglée par
exemple à l'aide de variateurs de vi-tesse 21 agissant sur
les moteurs électriques 9 (figure 3), ce qui permet une
modulation de la ventilation en fonction de la puissance
thermique à extraire. L'enceinte E3 correspond à la phase
3, c'est-à-dire que dans cette enceinte E3 il y a
transformation d'austénite métastable en perlite qui
s'effectue à la température ~b des fils. Cette
transformation dégage une quantité de chaleur d'environ
100 000 J.kg 1 et cela à une vitesse variable entre l'entrée
~3~3~46
- 12a -
et la sortie des fils 1 de cette enceinte E3. La production
de chaleur à l'intérieur des fils l dans ce cas est la somme
de la chaleur due à l'e`ffet Joule, par suite des courants
électri~ues circulant dans ces fils 1, et de la chaleur
dégagée par la transformation austénite-perlite qui peut
atteindre 2 à ~ fois l'effet Joule. Il est donc nécessaire
d'accélérer les échanges thermiques, ce qui est obtenu grâce
à la ventilation radiale modulee précédemment décrite,
obtenue avec les groupes moto-ventilateur 8.
~3~3g~
Les fils 1 passent ensuite dans l'enceinte E4 qui
est iclentique à l enceinte E.~ plécédemillellt décrlte avec la
différence que les rouleaux 16 sollt disposés vers la sortie de
l'ellceillte E" les couIants ~electriqlles circulant donc dans
les fils pelldant pratiquelllellt tout le temps F'~ pelldallt
lequel ils se trouvellt dans cette encelllte E~. I.es -~ils 1
sont ici ellcnle mailltenus à la température ~b .
L'enceinte Eq correspond à la phase 4, elle a pour
but de maintenir les fils 1 à la température ~b pollr ëtre
sûr que la perlitisation est totale avant de commencer le
refroidissement correspondant à la phase ~.
Les fils 1 passent ensuite dans l'enceinte Es qui est
analogue à l'enceinte El. Cette enceinte Es correspond à la
phase 3, elle permet le refroidissemellt des fils 1 jusqu'à une
température par exemple proche de la température ambiante. Il
n'est pas nécessaire que ce refroidissement soit rapide, mais
il est cepenclant préférable que le refroidissement soit opéré
rapidement pour diminuer la longueur du dispositif 2.
Pour simplifier le démontage et le montage du
dispositif 2, chaque manchon 3 est constitué par une pluralité
de manchons élémentaires 3a ~ qui peuvent être assemblés avec
des brides 22.
Des plaques 13 circulaires, analogues aux plaques 13
limitaDt la chambre El sont disposées entre les chambres E2,
E3, entre les chambres E3, E4s entre les chambres E4, Es et à
la sortie de la chambre Es. Des variateurs de vitesse 21
permettent de faire varier si on le désire les vitesses des
moteurs 9 dans les chambres El, Es (figure 3).
La fixation de chaque moteur 9 dans les enceintes El,
E3, Es peut être effectuée avec une plaque 23 symétrique autour
de l'axe xx', cette plaque 23 comportant un fond 24 où est fixé
le moteur 9 et une couronne extérieure 25 fixée au manchon
cylindrique 3 par les brides 22 (figure 4). Cette couronne
extérieure 2~ est percee de trous 26 pour le passage des
fils 1.
Le terme "gaz" pour le gaz de refroidissement 12 doit
être pris dans un sens très général, il couvre soit Ull gaz
unique soit un mélange de gaz, par exemple un mélange d'hydro-
gène et d'azote.
~303946
- 14 -
Exemples
Les trois exemples suivants permettront de mieux
comprendre l'invention, le ~ traitement étant effectué dans le
dispositif 2 précédemment décrit.
La composition des aciers utilisés est donnée dans
le tableau 1 suivant ( % en poids ) .
Tableau 1
. . . _ __
1 0 constituants
~xemple C Mn Si S Al Cu C~- Ni
_ . . _
10,8~ 0,7 0,2 0,027 0,019 0,082 0,045 0,060 0,015
2 0,7 0,6 0,22 0,029 0,018 0,084 0,049 0,062 0,014
.me composition que pour l'exemple 1
Les caractéristiques diverses des fils utilisés et
les données concernant l'austénitisation sont indiquées dans
20 le tableau 2 suivant:
Tableau 2
. .
Caractéristiques des fils
Exemple Température Tenperature Vitesse moyenne Diamètre du fil
de transi- d'austeniti- de chauffage (mm)
tioOn ACl sation ( C) pour austéni-
( C) ( ~C~ S-l )
1 721 +/- 3 920 390 1,3
_ _ . _
2 723+/- 3 920 395 1,3
3Comr~e pour 1 ' exemple 1 0,82
13Ct3946
- 14a -
Dans tous les cas de traitement conforme au
procéde de l'invention, pour chaque exemple, les
caractéristiques suivantes étaient respectées.
Nombre de fils: 8, vitesse de défilement de
chaque fil: 1 m.s l; les caractéristiques du gaz de
refroidissement 12 pour tout le. dispositif 2 sont données
dans le tableau 3 suivant, ce gaz étant un mélange
d'hydrogène et d'azote de composition variable en fonction
du diamètre des fils 1.
- ln
. ~ .
__ .
13~394~
.
- 15 -
Tableau 3
niamètre des O d'hydrogene en volume O d'azote en volunle
f`ils 1 (mm)
._
1,3 40 60
0,82 ,0 ~0
Le nombre de groupes moto-ventilat-eurs 8 était de un
pour les enceintes El, Es et de cinq pour l'enceinte
E3, la numérotation de ces groupes 8 étant alors de 8-1 à
8-5 dans le sens de la flèche F, pour ltenceinte E3 comme
lO repr~senté à la figure 3 (pour la simplicité du dessin, le
groupe 8-3 n'est pas représenté sur cette figure 3).
Les caract~ristiques de traitement des fils 1 lors des
phases 1 à 5 sont indiquées dans le tableau 4 suivant :
Tableau 4
. __
N' d'exemple
Caractéristiques de .
traitement 1 2 3
~ Phase_l
: Température ini- identique à ~identique à
tiale des fils(C~ 900 la phase 1 )la phase 1
. de l'exemple )de l'exemple
Température finale 1 )
: des fils ( C) 550 )
: Diamètre des tur- )
25 bines (mm) ~ 150 . )
Vitesse de rotation
des turbines (nom-
bre de tours par .
minute) 695 390
30 Vitesse efficace de
: l'anneau gazeux
(m.s~l) (vitesse
de ventilation)4,2 2,3
V-itesse moyenne de )identique à
35 refroidissement )la phase 1
(C.s-l) 120 ) de l'exempl~
13~3946
- 16 -
Tableau 4 (suite)
.. ..
Caractéristique N d'exe~ple
de traitement ,
1 2 3
_ _ _ _ . . _
5 Tem~s pour aller 1,6 ) identique à ) identique à
721 C à 550 C (s) ) la phase 1 ) la phase 1
~urée de la phase 2,9 ) de 1'exemple ) de l'exemple
(Pl) (S) ) 1
Phase 2
TempéOrature du
fil ( C) 550 + 5 550 + 5 550 + 5
Intensité de
chaque courant
électrique (A) 22,8 22,8 10,8
Duree de la
phase (P2) (s) 0,7 0,8 0,7
..
Phase 3
Tempe'rature du
il (C) 550 + 5 550 + 5 550 + 5
Intensité de
chaque courant
éiectrique (A) 22,8 22,8 10,8
: Vitesse efficace
de l'anneau
gazeux: (vitesse
de ventilation):l
groupe 8-1 (m.s ) 1,2 1,1 0,7
n 8-2 " 6 2 3 9 3,3
n 8-4 n 3 4,2 2,1
: n 8-5 0,9 1,2 0,5
Durée de la pha6e
(P3) (s) 2,7 2,6 2,7
~,,~
. ` 13~3946
- 17 -
Tableau 4 ~suite)
. . . .~
N~ d'exemple
Caracteristiques de
traitement 1 2 3
5 Phase 4
: Température du fil identique à
( C) 550 + 5 la phase ~ F~50 +
de l'ex'efmple
. 1 _.
IDtensité de chaque
courant électrique
(A) 22,8 10,8
Durée de la phase
~P4 ) (S) 1
.
15 Phase 5 . .
Température ini- identique à- )identique à
tiale des fils la phase 5 ) la phase 5
.: ( C) 550+5 de l'exemple )de l'exemple
. 1 )
20 Température finale )
.: des fils (' Cj 100 )
Diamètre des tur- )
bines (mm) 1~0 .. ~ )
Vitesse de rotation . .
25 des turbin~s (nom-
bre de tours par
, minute) : 765 4~0
: : Qitesse efficace de
l'anneau gazeux
30 (m.s~l) (vitesse
de ventilation)4,6 2,6
Vitesse moyenne de )identique à
refroidissement )la phase 5
(C-s~l) 90 . )de l'exemple
)
Durée de la phase )
(P5) ( 5?
. . .
3~
Ies caractéristiques mécani(1-les des fils obtenus sol1l
dol1néecs dans le talleau ~, suivant :
lableau_~
Exenlple Limite élastique à 0,2 ~O Chalge de ruptule (.~iPa`
d'all(!n g ement i~1Pa)
l 1020 `--13~0
2 lOlO - 1270
_ ~ l3~0
L'invention se caractérise donc par un procédé qui
évite l'emploi de métaux fondus, par exemple le plomb, ou de
sels fondus, pendant ]a transformation d'austénite en perlite,
grace à la combinaison du chauf-fage du fil par effet Joule et
de la ventilation modulée, de telle sorte que l'invention
conduit aux avantages suivants :
- installations simples et de fonctionnement souple ;
- il n'est pas necessaire de nettoyer le fil traite
qui peut donc etre par exemple laitonné puis tréfilé tel quel ;
- il n'y a pas de problème d'hygiène car aucune toxi-
cité n'est à craindre.
De préférence~ on a les relations suivantes :
- le diamètre des fils l est au moins égal à 0,3 mm et
au plus égal à 3 mm ; avantageusement, le diamètre des fils l
est au moins égal à 0,~ mm et au plus égal à 2 mm ;
- au cours de la phase l : le refroidissement du -fil
s'effectue à une vitesse moyenne de lO0 à 400C.s~l ;
- dans les phases 2 à 4, la température du fil
est comprise entre 450 et 600'C ;
- la vitesse efficace de l'anneau gazeux à son
maxim-um, dans la phase 3, varie de 2 à 50 m.s~l ;
- la vitesse ~fficace de l'anneau gazeux pour la phase
l varie de 2 à 50 m.s~1.
I,es anneau~ gazeu.~ rotatifs peuvent être obtenus par
d'autres methodes que des turbines. C'est ainsi que la figure
8 montre a titre d'exemple un appareillage 30 permettant
d'obtenir un anneau gazeux ro.atif sans utiliser de turbine,
cet appareillap;e ~0 pouvant être employé par exemple en
remplacement d'au moins une des enceintes El, E3, E~
13~3946
- 19 -
précédemment décrites, la figure 8 étant une coupe effectuée
perpendiculairement à l'axe xx' du dispositif 2, cet axe
~tant représenté par la le~ttre 0 à la figure 8. L'appareil-
lage 30 est limité extérieurement par un manchon cylindrique
31 comportant une paroi extérieure 32 et une paroi
intérieure 33. Un fluide de refroidissement 34, par exemple
de l'eau, circule entre ces parois 32, 33. L'appareillage
30 est limite intérieurement par un cylindre 35. Une série
d'injecteurs 36 permet l'arrivée du gaz de refroidissement
12 dans l'espace annulaire 37 délimité par les cylindres 33,
35, les fils 1 étant disposés dans cet espace 37 parallèle-
ment à l'axe xx'. La vitesse du gaz 12, à la sortie des
injecteurs 36 est représenté par la flèche F36. Cette
vitesse a une orientation pratiquement perpendiculaire à
l'axe xx', et donc aux fils 1 et elle est pratiquement
tangente au cylindre fictif d'axe xx' où se trouvent les
fils 1 qui sont équidistants de cet axe xx', c'est-à-dire
que l'injection est tangentielle. On obtient ainsi un
anneau gazeux 38 d'axe xx' dont la vitesse est pratiquement
perpendiculaire à l'axe xx'. La vitesse du jet de gaz à la
sortie des injecteurs 36 a une valeur comprise entre le
double et dix fois la valeur de la vitesse de l'anneau
gazeux 38. La sortie du gaz 12 vers l'exterieur de
l'appareillage 30 est effectuée gr3ce aux tuyauteries 39, la
vitesse de sortie du gaz 12 étant représentée par la flèche
F39. Les ouvertures 360 des injecteurs 36 sont disposées
sur une ligne parallèle à l'axe xx', deux ouvertures 360
successives étant séparées par exemple par une distance de
20 à 30 cm. Il en est de même pour les ouvertures 390 des
tuyauteries de sortie 39. Pour la simplicité du dessin, un
seul injecteur 36 et une seule tuyauterie de retour 39 ont
été représentés à la figure 8.
Un compresseur 40 alimente les injecteurs 36 en
gaz 12 et reçoit le gaz 12 qui sort de l'appareillage 30 par
13~3g4G
- 20 -
les tuyauteries 39.
La distribution du gaz 12 aux injecteurs 36 se
Eait grâce au collecteur 41, et la modulation de la vitesse
de ventilation dans l'appareillage 30 peut être obtenue à
5 l'aide des vannes 42 disposées à l'entrée de chaque
injecteur 36, ces vannes permettant de régler le débit de
gaz 12 dans ces injecteurs 36.
Le collecteur 43 reçoit le gaz 12 en provenance
des tuyauteries 39, avant que ce gaz pénètre dans le
10 compresseur 40.
Lorsque le compresseur 40 est de type
volumétrique, on dispose un régulateur de pression 44 qui
maintient un écart de pression constant entre le collecteur
d'injection 41 et le collecteur de retour 43.
Des ailettes 45, sous forme d'anneaux d'axe xx'
sont fixées à la paroi intérieure 33 pour favoriser les
échanges thermiques.
Pour avoir une bonne adaptation du compresseur 40
aux nécessités de l'appareillage 30, il peut être avantageux
20 d'entrainer ce compresseur 40 par un moteur à vitesse
variable, ou bien d'utiliser une bo;te de vitesse entre ce
moteur et le compresseur 40.
Dans le dispositif 2 et l'appareillage 30
précédemment décrits, la circulation du gaz de
25 refroidissement était effectuée de façon radiale, sous forme
d'anneaux gazeux tournant autour d'un axe parallèle aux fils
métalliques.
L'invention s'applique aussi aux cas où la
circulation du gaz de refroidissement s'effectue au moins en
30 partie axialement, comme représenté à la figure 9. Le
dispositif 50 de cette figure 9 comporte une soufflante 51
qui permet d'introduire le gaz de refroidissement 12 dans un
appareillage 52 de répartition. Cet appareillage 52 est
représenté plus en détail aux figures 10 et 11.
~ '
,1 ~ . .
13~3946
- 20a -
L'appareillage 52 comporte un cylindre 53 d'axe yy', disposé
dans une chambre annulaire 54. L'axe yy' est parallèle au
fil 1 qui passe dans la chambre annulaire 54. La figure 10
est une coupe de l'appareillage 52 selon un plan passant par
l'axe yy' et le fil 1, la figure 11 est une coupe
perpendiculaire ~ l'axe yy', la coupe de la figure 11 étant
schématisée par les segments de~ lignes droites XI-XI à la
figure 10.
Le gaz 12 sortant de la canalisation 55 est
intr~duit tangentiellement dans la chambre 54, la f~èche
F55, qui représente la direction du gaz sortant de la
canalisation 55, étant pratiquement tangente au cylindre 53
et ayant une direction perpendiculaire à l'axe yy',
représenté par la lettre Y à la igure 11. Le gaz 12
introduit dans la chambre 54 forme alors un anneau gazeux
520 qui tourne autour de l'axe yy', cette rotation étant
schématisée par la flèche F52 aux figures 10, 11. Le fil 1,
en dehors de la chambre 54, passe dans deux tubes 56
disposés avant et après la chambre 54, dans le sens de la
flèche F, et communiquant avec cette chambre 54. La
circulation du gaz 12 autour du fil 1 dans la chambre 54 est
donc en partie radiale. Le gaz 12 s'écoule ensuite le long
des tubes 56, en s'éloignant de la chambre 54, l'écoulement
,
` " ~3~3946
- 21 -
étant alors parallèle au fil 1, selon les flèches opposées
F~6, c'est-à-dire que la circulation du gaz 12 est alors
axiale.
nes canaLications d~ soutirag-e 57 partant des tubes 56
permettent l'écoulement du gaz 1' hors de ces tubes ~6, ces
canalisations 57 débouchant sur la canalisation collectrice 5
reliée à la canalisation de sortie 5g. Le gaz sortant par la
canalisation ~9 est reinjecté dans la soufflante 51 pour être
rec~clé, ce trajet n'étant pas représenté sur le dessin dans un
but de simplification. La modulation de la ventilation le long
des tubes 56 et donc le long du fil 1 est obtenue en réglant à
l'aide des vannes 60 le débit de gaz 12 dans chacune des cana-
lisations de soutirage 57. Il est ainsi possible d'obtenir,
dans les tronçons de tubes 56 référencés 56-1 à ~6-4 des débits
de gaz 12 qui decroissent au fur et à mesure que l'on s'éloigne
de l'appareillage 52, dans le sens des flèches Fs6 c'est-à-dire
que la ventilation, et donc le refroidissement, décroissent
dans ce sens. L'effet de refroidissement est maximal dans
l'appareillage 52 qui permet de soumettre le fil 1 à une
ventilation en partie radiale, la ventilation dans les tubes 56
étant axiale, c'est-à-dire que le gaz 12 s'écoule parallèlement
au fil 1, dans le sens des flèches Fs6. La chaleur apportée
par le fil 1 chaud au gaz de refroidissement 12 est évacuée à
l'aide d'un échangeur de chaleur eau~gaz 61. Pour la
25 simplicité de la description, seuls quatre tronçons 56-1 à 56-4
ont été repr~sentés de part et d'autre de l'appareillage ~2,
ces tronçons s'éloignant de l'appareillage 52 dans le sens de
la progression 56-1 à 56-4, mais on pourrait utiliser un nombre
de tronçons différent de quatre sur chaque tube 56.
Le dispositif ~0 peut être utilisé pour la phase 3 du
procédé conforme à l'invention, en remplacement des groupes
moto-ventilateurs 8, ce qui permet une réalisation technique
plus simple.
Une ventilation analogue à celle du dispositif nO
pourrait être aussi utilisée dans les phases 1 et~ou 5 du
procéde conforme à l'invention mais dans ce cas, une modulation
de la ventilation n'est pas nécessaire et il suffit de disposer
une seule canalisation de soutirage 57 à chaque extrémité des
tubes 56 la plus éloignée de l'appareillage 52.
La technique d'écoulement axial du gaz est plus facile
a mettre en oeuvre que celle de l'écoulement radial, mais elle
n'est pas suffisarlte pour refroidir les fils métalliques dont
~3~3~4~
- 22 -
le diamètre est superieur à 2 mm et dans ce cas, il faut
utiliser une technique d'écoulement radial, pour le gaz de
refroidissement.
Comrne précédemment décrit~ il peut être avantageux
de faire passer un courant électrique dans le fil 1 pendant
les étapes (a) e~/ou (c~, dans ce cas le dispositif pour la
mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comporte
des moyens pour fiare passer un courant électrique dans le
fil 1 pendant ces étapes, ces moyens pouvant comporter par
exemple les rouleaux 1~ précédemment décrits.
Dans les exemples de réalisation précédemment
décrits, le passage du courant dans les fils 1 était obtenu
à partir d'une source de tension U, par effet Joule, mais le
passage du courant pourrait être aussi ob~enu par induction,
les dispositi~s à effet Joule étant cependant préférés car
ils sont plus faciles à réaliser.
Le fil 1 traité conformément à l'invention
comporte la même s-tructure que celle qu'on obtient par le
procédé connu de patentage au plomb, c'est-à-dire une
structure perlitique fine. Cette s-tructure comporte des
lamell~s de cémen~ite séparées par des lamelles de ferrite.
A titre d'exemple, la figure 12 représente en coupe une
portion 70 d'une telle structure perlitique fine. Cette
portion 70 comporte deux lamelles de cémentite 71,
pratiquement parallèles, séparées par une lamelle de ferri-te
72. L'épaisseur des lamelles de cémenti-te 71 est
représentée par "i" et l'épaisseur des lamelles de ferrite
72 est représentée par "e". La structure perlitique est
Eine, c'est-à-dire que la valeur moyenne de la somme i + e
est au plus égale à 1000 ~, avec un écart type de 250 A .
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux
exemples de réalisation précédemment décrits.
